露天开采背景下锡林浩特市产草量时空变化及对气象因子的响应

2021-07-09康萨如拉宝海风

草原与草业 2021年2期

张璐,贺晓,康萨如拉,宝海风,王磊

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院/草地资源教育部重点实验室/农业农村部饲草栽培、加工与高效利用重点实验室/内蒙古自治区草地管理与利用重点实验室，呼和浩特 010018)

草地生态系统是陆地表面最大、占有极其重要地位的生态系统[1],能够为人类提供毛皮制品、食物等供给服务，还提供生物多样性、防风固沙、土壤保持、涵养水源等生态系统服务,能够起到调节人类活动与生态平衡的作用。近年来，人类由于经济利益等因素的驱使(如煤炭资源的开采和挖掘),对草地供给服务无节制的利用造成一系列的草原生态问题[2～3],主要包括对草原土地利用类型的破坏、对草地生态系统的破坏、降低草地生态系统物种多样性、改变土壤结构，以及植被死亡、水土流失等草原退化和沙化等现象[4～7]。产草量是草地生态系统服务中一项重要的供给服务，对气象因子的变化非常敏感。因此，合理评价草原产草量与气象因子的相关性对草地资源的可持续利用和发展具有重要意义。内蒙古锡林浩特市地处中国北方干旱、半干旱地区，属于温带典型草原区，是我国北方防沙带的重要组成部分，也是拥有我国大型煤电基地胜利煤电的城市。锡林浩特市煤炭开采以露天方式为主，煤矿的粗放型开发方式会强烈地干扰草原生态系统[8]。本文采用产草量遥感模型和GIS技术，以内蒙古锡林浩特市露天煤矿集中区域为研究对象，通过计算该区域1991～2016年草地生态系统的产草量，分析不同时期产草量的时空动态变化，探讨产草量对气象因子的响应特征，为促进区域经济与环境协同和草地生态系统可持续发展提供科学依据。

1 研究区概况及研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古锡林浩特市露天煤矿集中区域(见图1)，研究区边界选取标准为锡林浩特市汇水区，地理范围为115°55'～116°20'E、43°50'～44°10'N。研究区地势四周高、中部低，地处中纬度内陆区域，属于温带大陆性干旱、半干旱气候。年均气温1～4℃，年降水量150～500mm，主要集中在6～9月。植被类型为典型草原，植被优势种为克氏针茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipagrandis)等。土壤类型主要为栗钙土，水土流失类型以风力侵蚀为主[9]。

图1 研究区位置

1.2 研究方法

1.2.1地面调查

在研究区设置24个样地进行野外植被取样，样地选取标准为每个样点之间必须相隔5km以上。每个样地各重复3个1m×1m的测产样方，记录植株频度和植被盖度生物量，剪取草本地上部分带回实验室于烘箱内67℃烘干后称取干重。同时，在每个样地设置7个频度样方记录样方内植物的种名及出现次数，与3个测产样方合并统计物种频度。

1.2.2数据来源及处理

本文土地利用类型动态解译、NDVI数据均来自地理空间数据云的Landsat数据，数据分辨率为30m，共7景(表1)，选取标准为研究区植被生长季7～9月，云量<10%。1991～2016年气象数据来源于内蒙古气象局。

表1 Landsat影像信息

2012年、2016年数据来自Landsat7 ETM数据，需通过ENVI软件进行去噪处理。7景影像数据通过ENVI软件对影像波段进行假彩色合成，使用eCognition 8、ArcGIS 10.0软件对遥感图像做多尺度分割及平滑处理。根据历史资料和野外植被调查数据，建立研究区土地分类系统(表2)和判读解译标志，通过人机交互式解译获得不同时期研究区的土地利用类型分布。研究区1991～2016土地利用类型面积变化如表2所示，在1991～2016年研究区的不同土地利用类型变化中，草地、工矿仓储用地与城市用地变化的比例较大，且在土地利用分类系统中工矿仓储用地(包括复垦的排土场)、城市用地(包括公园绿地)都是有草地植被生长区域，所以本文将重点分析这三类土地利用类型的产草量动态变化。

表2 研究区土地利用/覆盖面积动态

1.2.3产草量计算方法

根据研究区实际地上生物量与同期遥感数据的归一化植被指数之间的关系，构建相应的回归模型，用于估算研究区域草原的产草量[10]。

1.2.3.1植被指数获取

在ENVI 5.1软件下，根据已大气校正、辐射定标、掩膜处理的7期Landsat数据计算研究区NDVI值，计算方法如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

式中：NIR为近红外波段的反射率；R为红光波段的反射率。

1.2.3.2产草量遥感估测模型

将NDVI值与野外实测样方数据结合构建产草量遥感模型，并将其应用于1991～2016年7个时期的产草量估测:

生物量=1171.98NDVI+597.04

(R2=0.45，P<0.05)

1.2.4相关性分析

本文利用SPSS软件分析研究区产草量与年降水量、年均温的相关性。

2 结果分析

2.1 研究区产草量的时空分布特征

通过NDVI与实测地上生物量的遥感估测模型计算，得到1991～2016年露天开采背景下的锡林浩特市产草量。由研究区单位面积产草量空间分布(图2)可知，1991～2016年近26年研究区内产草量分布具有明显的空间差异性，分布格局基本稳定，没有发生剧烈变化。从整体来看，产草量平均单产水平较高的地方主要集中在研究区东部；产草量平均单产水平相对较低的地方主要集中在中南部；东北和西南部分区域产草量较低，主要原因是工矿仓储用地和城市用地覆盖面积较大。

图2 1991～2016年研究区产草量空间分布

研究区产草量年际动态变化如图3、图4所示，研究期间产草量总体呈减少趋势。1991～2000年研究区平均单产和产草量持续下降，2000～2012年虽有增加但期间波动幅度较大，2012～2016年骤减。整个变化趋势存在两个节点：第一个节点出现在2000年，平均单产为564.45kg/hm2，产草量为50×103t；第二个节点平均单产和产草量最高，出现在2012年，平均单产高达942.03kg/hm2，产草量为81.09×103t。1991～2016年7个年份的平均单产为745.40kg/hm2，平均产草量为65.28×103t，其中有4年产草量高于平均值，有3年产草量低于平均值。从整体来看，1991～2016年研究区平均单产维持在564.45kg/hm2～942.03kg/hm2，产草量数值波动范围介于50.00×103t～81.09×103t。

图3 1991～2016年产草量时间动态变化

图4 1991～2016年平均单产时间动态变化

2.2 三种主要土地利用类型产草量动态变化

运用Arcgis软件的空间分析模块，将研究区1991～2016年7个时期的三种土地利用/覆盖类型矢量数据与对应年份的产草量栅格数据进行分区统计，得到不同土地利用/覆盖类型在不同研究时段内产草量的变化规律(表3)。

表3 1991～2016年不同土地利用/覆盖类型产草量

从不同土地利用/覆盖类型的产草量统计结果可知，随着土地利用/覆盖类型的改变，研究区产草量功能也随之发生变化。在研究区三种土地类型中，草地的产草量总体呈减少趋势，但2012年平均单产和产草量明显增加。工矿仓储用地的产草量随着面积的扩大逐年增加，原因是工矿仓储用地地类主要分为开采区域、工业场地和排土场，开采区域和工业场地的植被已被破坏，所以工矿仓储用地产草量主要来源于复垦的排土场；随着矿业开采的进行和复垦区域的增加，重建植被面积也逐渐扩大，产草量逐渐增加，2008～2016年工矿仓储用地平均单产持续增长，产草量骤增，说明矿区进行的生态环境恢复治理已初见成效。1991～2016年城市用地产草量总体呈增加趋势，原因是城市用地主要包括城镇居民点、农村宅基地和公园绿地；城镇居民地和农村宅基地多为不透水表面，所以城市用地产草量主要来自公园绿地。随着城市整体环境水平和居民生活水平的提高，城市绿地面积逐渐扩大，导致产草量增加。2012年城市用地平均单产和产草量的增加幅度大于其他年份。在三种土地类型中，草地在不同时期的平均单产和产草量均为最高。2016年工矿仓储用地产草量高于城市用地，说明工矿用地扩张的速度大于城市用地。

2.3 产草量与气象因子的相关分析

相关研究[3]认为，在内蒙古干旱半干旱草原地区降水量是影响产草量变化的主要因素之一，气温对产草量的影响较小。从对研究区整体及不同地类的产草量和气象因子进行相关分析的结果(表4)可以看出，研究区整体、草地与城市用地的产草量与年降水量存在极显著(P<0.01)的相关性。在分析不同土地利用/覆盖类型的产草量时发现，研究区整体/草地产草量应该随着面积的减小而减小，但在2000年研究区整体/草地面积较大，2012年研究区整体/草地面积较小，2012年产草量却明显比2000年增加，原因是2000年的降水量(191.9mm)比2012年的降水量(511.7mm)少，降水量的差异造成2个年份的平均单产明显不同。同理，2012年降水量也是造成城市用地增加幅度大于其他年份的重要原因。

表4 相关分析

工矿仓储用地产草量与年降水量没有显著的相关性(P>0.05)，说明降水量的增加对该区域产草量有一定的影响，但不是其主要影响因子。分析其原因，主要是在当地缺少水资源的情况下复垦排土场的重建植被对水资源的获取方式除了利用自然降水外，更主要的是人工灌溉。研究区整体及不同地类的产草量和年均气温没有显著的相关性。